OFDM通信系统信道估计的新方法

武广 端木春江 赵伟

摘 要： 正交频分复用 （OFDM） 技术是现在4G通信和即将到来的5G中的关键技术。对其信道进行估计的准确性直接影响到系统的误码率（bit error rate BER）。文章提出了一种新自适应分块错位和周期性的导频插入模式。此模式能更准确地估计OFDM的各子信道状况。其利用线性插值法估计出未插入导频信号的子信道上的频率响应。仿真结果显示，所提出的方法能在同样的误码率要求时，大幅度地减少发送端的发送功率（信噪比增益在4dB以上）。

关键词： OFDM； 信道估计； 导频符号插入； OFDM信道估计

中图分类号：TN929.5 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2015）09-17-02

New method for OFDM communication channel estimation

Wu Guang， Duanmu Chunjiang， Zhao Wei

（School of Mathematics， Physics， and Information Engineering， Zhejiang Normal University， Jinhua， Zhejiang 321004， China）

Abstract： The OFDM is the key technology in the 4G and the upcoming 5G communication systems. The accurate estimation of the channel conditions has a direct influence on the bit error rate of the systems. This paper proposes a new adaptive and periodic pilot sub-channel insertion method. This method can estimate the sub-channels' state of the OFDM in a more accurate way， and the frequency responses of the non-pilot sub-channels are estimated by the method of linear interpolation. Simulation results have demonstrated that the proposed method can greatly reduce the transmission power under the same bit error rate requirement（The SNR gain is more than 4dB）.

Key words： OFDM； channel estimation； pilot sub-channel insertion； OFDM channel estimation

0 引言

正交频分复用（OFDM）[1-3]技术因其能有效对抗多径和具有较高的频谱利用率而被广泛应用于各种无线通信系统中。由于无线信道的随机性、未知性，x使信道估计器的设计变得尤其重要，能否获得详细的信道信息，从而在接收端正确地解调出发射信号，是衡量一个无线通信系统性能的重要指标。

OFDM信道估计一般分为盲信道估计[4]和导频信道估计[5]。虽然盲信道估计可以节省带宽，但其运算量太大，灵活性很差；而基于导频的信道估计[6]是利用发送端发送的少量导频符号和接收端收集到的数据的统计特性来进行信道估计，从而得到更精确的信道估计特性，得到广泛的应用研究。衰落信道[7-8]通常分为快衰落信道和慢衰落信道两种。信道的时间频率选择性衰落导致不同时间、不同子载波上传输信号的衰落程度各不相同。因此，需要对信道进行实时估计。

1 基于导频的OFDM系统信道估计模型

正交频分复用OFDM采用的是多载波调制技术，主要是通过减小和消除码间串扰的影响来克服信道的频率选择性衰落[9]。它的基本原理是：将一个完整信号分割为N个子信号，然后用N个子信号分别调制N个相互正交的子载波。基于导频的信道估计适用于数据连续传输的系统中。通过在发送端发送的有用数据信道中插入已知的导频符号，然后在接收端分离出导频位置的数据，从而得到导频位置的子信道的频率响应估计结果，接着利用导频位置的信道频率响应的估计值，通过一些算法（如插值等）得到传输数据位置（未插入導频位置）处的子信道的信道估计结果，完成信道的估计。

2 所提出的OFDM系统信道估计算法

在本文中，我们采用一种新的自适应分块错位导频符号样式进行插入（如图1所示），在这里加载导频的子信道，用黑色圆圈来表示，其余空心的圆圈表示加载传输数据的子信道。对于相邻的两个OFDM符号，导频的插入位置是错开一个导频位置的，而不是像传统方法中那样在同一位置。我们用M表示插入导频的时变参数因子，即，在一个OFDM符号中传输（M-1）个OFDM数据符号后就插入一个相应的导频符号，也就是新提出的导频插入周期是M。在快衰落信道中，M的值必须非常小，而在慢衰落信道中M的值可以大些，只有这样才能既可以利用OFDM符号的相关性又能自适应地进行高速的传输数据。

图1 本文所采用的导频插入样式

所提出的导频样式能够适应于时变信道的情况，并对时变的子信道进行很好的估计。同时，当OFDM信道在几个OFDM符号的时间内变化很小或者几乎没有变化时，可以利用不同OFDM符号之间的子信道的相关性来进行信道估计并提高估计精度。在我们的发明中，采用最近邻法来估计传输数据的子信道，能适合信道非线性的变化。